TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, đặc biệt là kỹ thuật điện tử, đã làm nổi bật vai trò quan trọng của điều khiển tự động trong nhiều lĩnh vực như quản lý và công nghiệp tự động hóa Việc nắm bắt và áp dụng hiệu quả công nghệ điều khiển tự động không chỉ góp phần vào sự phát triển chung của khoa học kỹ thuật toàn cầu mà còn thúc đẩy sự tiến bộ trong lĩnh vực điều khiển tự động.
Chúng tôi đã quan sát quy trình sản xuất tại các doanh nghiệp và nhận thấy sự tự động hóa đáng kể trong nhiều khâu Một trong những ứng dụng nổi bật là hệ thống tự động cho ăn, uống và giám sát nhu cầu của heo, được điều khiển bởi bộ PLC Siemens, mang lại hiệu quả cao trong chăn nuôi.
Sau khi nghiên cứu các đề tài và công trình trước đây, nhóm đã quyết định chọn đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát".
Chăn nuôi heo đòi hỏi những mô hình chăm sóc đặc thù, khác biệt so với việc nuôi các loại vật nuôi khác như cá hay bò Mỗi loại vật nuôi cần một môi trường sống và phương pháp chăm sóc riêng, do đó cần có hướng xử lý phù hợp để đảm bảo sức khỏe và phát triển tốt nhất cho heo.
Hệ thống chăn nuôi truyền thống thường thiếu sự giám sát chặt chẽ, dẫn đến môi trường sống của vật nuôi không được theo dõi đầy đủ Do đó, cần thiết phải xây dựng một hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm phù hợp với từng loại vật nuôi để nâng cao chất lượng chăn nuôi.
MỤC TIÊU
Mục tiêu của nhóm là nghiên cứu sâu về PLC S7-1200 và các ứng dụng thực tế của nó, từ đó thiết kế và thi công mô hình trang trại chăn nuôi tự động Đồng thời, nhóm cũng sẽ thực hiện việc điều khiển và giám sát hoạt động của mô hình thông qua máy tính.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• NỘI DUNG 1: Nghiên cứu tài liệu về PLC S7 -1200, cảm biến nhiệt độ-độ ẩm, bơm điện để bơm nước và relay trung gian
Dựa trên dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm đã thu thập, chúng tôi tiến hành lựa chọn giải pháp thiết kế và thi công mô hình Đồng thời, việc kết nối các thiết bị ngoại vi với PLC cũng được thực hiện để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Thiết kế lưu đồ giải thuật và lập trình điều khiển cho PLC là bước quan trọng trong việc phát triển hệ thống tự động hóa Đồng thời, việc thiết kế giao diện điều khiển và giám sát hệ thống cũng cần được chú trọng, nhằm đảm bảo người dùng có thể theo dõi và quản lý dữ liệu một cách hiệu quả Giao diện hiển thị dữ liệu trực tuyến sẽ giúp người dùng truy cập thông tin một cách nhanh chóng và thuận tiện, nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Thử nghiệm và điều chỉnh phần mềm cùng phần cứng là cần thiết để tối ưu hóa mô hình và nâng cao tính dễ sử dụng Việc đánh giá các thông số của mô hình so với thông số thực tế giúp đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống đạt yêu cầu so với các tính toán đã thực hiện.
• NỘI DUNG 5: Viết báo cáo thực hiện
• NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện.
GIỚI HẠN
• Mô hình quy mô còn nhỏ
• Mô hình còn chưa tối ưu, hình dáng còn thô kệch
• Độ chính xác tương đối
• Tốc độ còn chậm do là điều khiển tuần tự.
BỐ CỤC
• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
• Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế
• Chương 4: Thi Công Hệ Thống
• Chương 5: Kết Quả - Nhận Xét - Đánh Giá
• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THEO DÕI VÀ GIÁM SÁT TRANG TRẠI CHĂN NUÔI
Môi trường sống đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển của vật nuôi Việc giám sát nhiệt độ, độ ẩm, cung cấp thức ăn, nước uống và vệ sinh chuồng trại có thể được thực hiện bởi con người Tuy nhiên, đối với các trang trại lớn, việc này tiêu tốn nhiều nhân lực và làm cho việc quản lý các số liệu về môi trường sống của heo trở nên khó khăn Do đó, một hệ thống quản lý thông tin và số liệu về môi trường sống của heo là cần thiết để đảm bảo hiệu quả và chất lượng chăn nuôi.
TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PLC S7-1200
Kỹ thuật điện tử đã đạt được những bước tiến vượt bậc và sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ trong tương lai, đóng vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp, đặc biệt trong bối cảnh hội nhập hiện nay Các doanh nghiệp đang nỗ lực hạ giá thành sản phẩm để tăng cường sức cạnh tranh Một trong những giải pháp hiện đại là sử dụng PLC, thiết bị có khả năng vận hành tự động theo quy trình đã định mà không cần sự can thiệp của con người Tất cả các yếu tố cần thiết để sản xuất một loạt sản phẩm đều được tích hợp trong PLC, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất khi kết hợp với máy vi tính để điều khiển và giám sát hoàn toàn trên nền tảng máy tính.
Hệ thống điều khiển tự động PLC đã xuất hiện từ năm 1970 và trở thành lựa chọn phổ biến trong sản xuất, nhưng nhiều công ty tại Việt Nam vẫn chưa quen thuộc với công nghệ này Nguyên nhân không chỉ nằm ở giá thành cao mà còn do sự ngại thay đổi và thiếu hiểu biết về PLC, dẫn đến khó khăn trong vận hành, bảo trì và thay đổi chương trình Tuy nhiên, khi đã nắm vững kiến thức về PLC, vấn đề chuyển giao công nghệ sẽ trở nên dễ dàng hơn và người sử dụng sẽ nhận thấy rõ những lợi ích mà PLC mang lại Hy vọng nội dung trong bài viết này sẽ giúp độc giả hiểu rõ hơn về PLC.
PLC, hay Bộ điều khiển logic khả trình, mang lại nhiều lợi ích trong việc tối ưu hóa quy trình vận hành máy móc Sự phát triển của PLC giúp thực hiện các thao tác nhanh chóng, nhạy bén và đáng tin cậy hơn, thay thế hoàn toàn các phương pháp điều khiển truyền thống như relay Với khả năng lập trình linh hoạt dựa trên các lệnh logic cơ bản, PLC có thể thực hiện các chức năng như định thời, đếm, và giải quyết các bài toán kỹ thuật Ngoài ra, PLC còn có khả năng tạo lập, gửi đi và tiếp nhận tín hiệu để kiểm soát kích hoạt hoặc ngừng hoạt động của máy móc và dây chuyền công nghiệp.
➢ Như vậy những đặc điểm làm cho PLC có tính năng ưu việt và tích hợp trong môi trường công nghiệp:
− Khả năng kháng nhiễu tốt
− Cấu trúc dạng module rất thuận tiện cho việc thiết kế, mở rộng, cải tạo nâng cấp
− Có những module chuyên dụng để thực hiện chức năng đặc biệt hay những module truyền thông để kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc qua mạng internet
− Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động
Hệ sản xuất linh hoạt cho phép thay đổi các thông số một cách dễ dàng mà không cần phải chỉnh sửa lại chương trình, mang lại tính linh hoạt cao trong quá trình sản xuất.
2.2.1.3 Cấu trúc phần cứng của PLC
➢ Các thành phần cơ bản của một PLC thường có các module phần cứng sau:
− Module đơn vị xử lý trung tâm
− Module bộ nhớ chương trình và dữ liệu
− Module chức năng (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông mạng)
2.2.1.4 Cấu trúc bộ nhớ PLC
➢ Bộ nhớ chia làm 3 vùng chính
• Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng chứa chương trình được chia làm miền:
− Organisation block: Miền chứa chương trình tổ chức, chứa chương trình chính, các lệnh trong khối này luôn được quét
Chương trình con (subroutine) là một phần của mã nguồn được tổ chức thành các hàm, có biến hình thức để trao đổi dữ liệu Nó sẽ được thực hiện khi được gọi từ chương trình chính, giúp tối ưu hóa quy trình lập trình.
Chương trình ngắt (Interrup) là miền chứa được tổ chức thành hàm, cho phép trao đổi dữ liệu với các khối chương trình khác Chương trình này sẽ được thực hiện khi có sự kiện ngắt xảy ra, bao gồm nhiều loại như ngắt thời gian và ngắt xung tốc độ cao.
• Vùng chứa tham số của hệ điều hành: chia thành miền khác nhau:
Trước khi thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc và lưu trữ giá trị logic của tất cả các cổng vào số trong vùng nhớ I Thông thường, chương trình ứng dụng không truy cập trực tiếp trạng thái logic của cổng vào mà chỉ lấy dữ liệu từ bộ đệm I.
Q (Process Image Output) là miền bộ đệm chứa dữ liệu cổng ra số Khi kết thúc giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic từ bộ đệm Q tới các cổng ra số Thông thường, chương trình không gán giá trị trực tiếp tới cổng ra mà chỉ chuyển chúng đến bộ đệm Q.
M (Miền các biến cờ) là chương trình ứng dụng sử dụng các biến để lưu trữ các tham số cần thiết, cho phép truy cập theo bit (M), byte (MB), từ (MW) hoặc từ kép (MW).
Bộ thời gian (Timer) lưu giữ các giá trị quan trọng như giá trị thời gian đặt trước (PV - Preset Value), giá trị đếm thời gian tức thì (CV - Current Value) và giá trị Logic đầu ra, giúp quản lý và theo dõi thời gian hiệu quả.
Miền nhớ của bộ đếm (C - Counter) đảm nhiệm việc lưu trữ giá trị đặt trước (PV - Preset Value), giá trị đếm tức thời (CV - Current Value) và giá trị logic đầu ra của bộ đệm.
Vùng dữ liệu là một khu vực bộ nhớ động có khả năng truy cập theo từng bit, byte, từ đơn và từ kép Nó được sử dụng làm miền lưu trữ cho các thuật toán, hàm truyền thông, lập bảng, cũng như các hàm dịch chuyển và xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ.
PLC hoạt động theo chu kỳ lặp, gọi là vòng quét (Scan) Mỗi vòng quét bắt đầu bằng việc đọc dữ liệu từ các cổng vào và bộ đệm ảo, sau đó thực hiện chương trình từ lệnh đầu tiên cho đến lệnh kết thúc Sau giai đoạn thực hiện, PLC tiến hành truyền thông và kiểm tra lỗi, trước khi kết thúc vòng quét bằng việc chuyển nội dung của bộ đệm ảo đến các cổng ra.
Chương trình trong S7-1200 được lưu trong bộ nhớ PLC ở vùng dành riêng cho chương trình và có thể được lập với 2 dạng cấu trúc khác nhau:
Lập trình có cấu trúc chia chương trình thành các phần nhỏ, mỗi phần thực hiện nhiệm vụ riêng biệt, giúp giải quyết các bài toán điều khiển phức tạp PLC S7-1200 bao gồm ba loại khối cơ bản, trong đó khối Organization Block quản lý và tổ chức chương trình điều khiển, luôn được thực thi trong mỗi chu kỳ quét Chương trình ứng dụng thường bao gồm nhiều khối chương trình con cùng các khối khác.
Lập trình tuyến tính là phương pháp mà toàn bộ chương trình được lưu trữ trong một khối bộ nhớ duy nhất, phù hợp cho các bài toán tự động nhỏ và không phức tạp Trong cấu trúc này, khối organization Block được chọn sẽ được PLC quét và thực hiện liên tục các lệnh từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng, sau đó quay lại lệnh đầu tiên để lặp lại quá trình.
TRUYỀN THÔNG MODBUS TRÊN RS485 VỚI PLC S7-1200
2.3.1 Giới thiệu về giao thức Modbus
MODBUS do Modicon (hiện nay thuộc Schneider Electric) phát triển năm
Năm 1979, MODBUS ra đời như một phương tiện truyền thông hiệu quả, sử dụng cặp dây xoắn đơn để kết nối nhiều thiết bị Ban đầu hoạt động trên RS232, sau đó MODBUS mở rộng sang RS485, cho phép đạt tốc độ cao hơn, khoảng cách dài hơn và hỗ trợ mạng đa điểm Với việc Modicon công bố MODBUS như một giao thức miễn phí, nó nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn phổ biến trong ngành tự động hóa.
MODBUS là một hệ thống “chủ - tớ”, “chủ” được kết nối với một hay nhiều
Trong hệ thống MODBUS RTU, "chủ" thường là PLC, PC, DCS hoặc RTU, trong khi "tớ" là các thiết bị hiện trường kết nối qua mạng multi-drop Khi chủ MODBUS RTU cần thông tin từ thiết bị, nó sẽ gửi một thông điệp yêu cầu dữ liệu và kiểm tra lỗi tới địa chỉ của thiết bị Mặc dù tất cả các thiết bị trên mạng đều nhận thông điệp này, chỉ có thiết bị được chỉ định mới phản hồi lại.
Các thiết bị trên mạng MODBUS không thể tự tạo kết nối mà chỉ phản ứng khi được yêu cầu Chúng chỉ "lên tiếng" khi có tín hiệu từ bên ngoài Một số nhà sản xuất đang phát triển thiết bị lai ghép hoạt động như thiết bị MODBUS nhưng có thêm "khả năng viết", biến chúng thành các thiết bị chủ ảo.
Hình 2 5:Sơ đồ kết nối RS485
2.3.2 Giao tiếp truyền thông RS485 Đây là các phượng thức truyền thông mới đang dần hình thành Phương thức truyền thông bằng modbus đang ngày càng phổ biến bởi tín tiên lợi và dễ sử dụng Ngày xưa để truyền tín hiệu của 1 cảm biến thì phải dùng hai dây Ngày nay truyền tín hiệu của 10 hoặc 20 cảm biến ta cũng cần dùng 2 dây Điểm khác biệt ở đây là ngày xưa dùng 4-20mA hoặc 0-0V thì ngày nay dùng tín hiệu Modbus RTU RS485
RS-485 sử dụng chênh lệch điện áp giữa 2 dây A và B để phân biệt logic 0 và
1 Khi truyền tín hiệu xa, nếu có sụt áp thì đồng thời sụt trên cả 2 dây nên tín hiệu vẫn đảm bảo, RS485 cho phép truyền tín hiệu xa hơn và tốc độ truyền cho phép cũng cao hơn, thêm nữa RS485 cho phép liên kết đa điểm, gồm nhiều thiết bị có thể truyền thông trong 1 mạng
2.3.3 Bộ cảm biến nhiệt ẩm SHT10
Cảm biến SHT10 với vỏ bảo vệ V1 là giải pháp lý tưởng cho ứng dụng nông nghiệp, đảm bảo độ bền, chính xác và ổn định cao Thiết kế của cảm biến bao gồm SHT10 bên trong, được bảo vệ bởi lớp vỏ bên ngoài, giúp chống lại các tác động vật lý từ môi trường như bụi và nước.
- Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ không khi SHT10 có vỏ bảo vệ V1
- Cảm biến phia trong: SHT10
- Điện áp sử dụng: 3 - 5VDC
- Khoảng nhiệt độ đo được: -40 ~ 120 độ C, sai sô 0.5 độ C
- Khoảng độ ẩm đo được: 0 ~100% RH, sai sô 4.5% RH
- VCC - Màu nâu - cấp nguồn 3 ~ 5VDC
- GND - Màu đen - cấp nguồn 0VDC ~ Mass
BƠM CHÌM 220V
• Ấp lực nước tối đa 60cm
Hình 2 10:Nút dừng khẩn cấp
2.4.4 Relay trung gian 8 chân điện áp 24V
2.4.6.1 Thông số kĩ thuật Điện áp định mức: 24VDC
Kích thước của cánh quạt: ∅120mm
Tốc độ định mức: 2400 Rpm
Loại động cơ: Động cơ rotor bên ngoài không chổi than DC
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
MÔ HÌNH HỆ THỐNG
3.1.1 Giới thiệu về hệ thống
Hệ thống tự động cân đo khối lượng nguyên liệu thức ăn đã đặt trước và trộn lại, với số liệu khối lượng thức ăn trong ngày được hiển thị tức thời trên màn hình SCADA cho người quản lý Dữ liệu về lượng thức ăn có thể xuất ra dưới dạng biểu đồ, giúp người quản lý đánh giá lượng thức ăn qua nhiều ngày Tất cả thông tin về khối lượng và thành phần thức ăn được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu và có thể truy cập qua web Hệ thống cũng cho phép tắm cho heo vào thời gian đã cài đặt trước, với thời gian tắm tùy chỉnh trên màn hình SCADA Ngoài ra, hệ thống uống nước tự động hoạt động độc lập, tự động bơm nước vào bồn chứa và xả nước vào thùng uống khi cần thiết.
Xử lý tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm để tạo ra tín hiệu gửi về PLC nhằm thực hiện các tác vụ khác.
Giao diện điều khiển và giám sát cho phép người dùng tắt mở hệ thống, xử lý và hiển thị dữ liệu, đồng thời theo dõi hoạt động của hệ thống một cách hiệu quả.
THI CÔNG HỆ THỐNG
GIỚI THIỆU
Sau khi hoàn thành quá trình tính toán và thiết kế dựa trên sơ đồ khối, nhóm đã tiến hành thi công mô hình toàn hệ thống, bao gồm khối cảm biến nhiệt ẩm, hệ thống vít tải, và hệ thống phun sương Ngoài ra, nhóm cũng lắp ráp hệ thống điện, tạo giao diện web, viết chương trình, và phát triển giao diện giám sát SCADA.
THI CÔNG HỆ THỐNG
4.2.1 Thi công phần khung của hệ thống
Hình 4 1:Thiết kế phần khung hệ thống
Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG
4.2.2 Thi công bảng điều khiển
Hình 4 2:Bên ngoài bảng điều khiển
Hình 4 3:Bên trong bảng điều khiển.
KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ
Kết quả nghiên cứu: sau:
Trong vòng 4 tháng làm đồ án, nhóm nghiên cứu đã đạt được các kết quả như
❖ Nghiên cứu sâu hơn về các dòng PLC đặc biệt là dòng S7 - 1200
❖ Nghiên cứu sử dụng được cảm biến nhiệt độ - độ ẩm và giao tiếp được PLC
❖ Nghiên cứu cách thiết kế, bố trí và thi công bảng điều khiển PLC
❖ Nghiên cứu được một số hệ thống trang trại chăn nuôi thực tế
❖ Nghiên cứu và thiết kế giao diện giám sát và điều khiển Scada
❖ Nghiên cứu được cách thiết kế một giao diện web localhost
5.1.1 Kết quả thi công Kết quả phần cứng
Trong quá trình thiết kế phần cứng, nhóm đã lựa chọn linh kiện và kiểm tra kết nối giữa các module, linh kiện để phát triển mô hình giám sát trang trại chăn nuôi sử dụng PLC.
Hình 5 1:Mặt trước của hệ thống
CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ
Hình 5 2:Mặt bên của hệ thống
Hình 5 3:Bên trong của hệ thống
Kết quả thi công web
Hình 5 4:Giao diện giới thiệu trường của trang web
Hình 5 5:Giao diện giới thiệu đồ án của trang web
CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ
Hình 5 6:Giao diện truy xuất toàn bộ dữ liệu cảm biển
Hình 5 7:Giao diện truy xuất dữ liệu theo thời gian và tên cảm biến